祁 琳 喬仕嶺 李宗洋 劉黎麗 劉天才

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048）

空間核反應(yīng)堆電源具有環(huán)境適應(yīng)性好、功率覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊以及大功率條件下質(zhì)量功率比小等突出優(yōu)點(diǎn)，在軍民航天任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。隨著人類足跡的不斷拓展，開發(fā)更高效的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而降低重量、提升效益，是空間核反應(yīng)堆的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。將高溫燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)耦合到氣冷反應(yīng)堆上，空間應(yīng)用的效率可達(dá)35%，如此顯著的效率改進(jìn)將使大功率空間核反應(yīng)堆電源及核電推進(jìn)成為可能。NASA Prometheus計(jì)劃中確定了輸出電功率為200kWe的氣冷反應(yīng)堆加布雷頓循環(huán)的空間堆電源系統(tǒng)方案，建造了布雷頓發(fā)電機(jī)樣機(jī)并開展了相關(guān)試驗(yàn)。俄羅斯實(shí)施了兆瓦級(jí)空間核動(dòng)力飛船研發(fā)計(jì)劃[2]，空間堆電源同樣采用超高溫氣冷反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，氣體布雷頓循環(huán)發(fā)電，目前已完成兆瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆電源初步設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆燃料元件入堆考驗(yàn)以及反應(yīng)堆本體技術(shù)試驗(yàn)工作。

空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)融核能、航天、材料、信息、控制、環(huán)境等科學(xué)為一體，是一門綜合性的前沿科學(xué)工程技術(shù)，技術(shù)跨度廣、難度大、安全性要求高，很有必要在設(shè)計(jì)初期，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)將虛擬對(duì)象與虛擬試驗(yàn)環(huán)境結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進(jìn)行調(diào)整修正、實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

本文開展基于模型的氣冷反應(yīng)堆虛擬仿真，完成對(duì)氣冷反應(yīng)堆電源系統(tǒng)構(gòu)型的逼真呈現(xiàn)、物理狀態(tài)的生動(dòng)可視化，以及運(yùn)行過程的精確仿真，從而真正達(dá)到虛擬仿真與反應(yīng)堆型號(hào)研制、運(yùn)行相結(jié)合，對(duì)加快空間堆研發(fā)步伐具有重要意義。

一、研究內(nèi)容

1.研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為132kWe氣冷空間堆系統(tǒng)，堆芯產(chǎn)生的熱量由氦氙混合氣體帶出，流經(jīng)透平做功，再流經(jīng)回?zé)崞鞣艧?，最后流?jīng)氣體冷卻器釋放余熱，排出的冷卻工質(zhì)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮和回?zé)崞骷訜?，再次回到堆芯，如圖1所示。

圖1 氣冷反應(yīng)堆（a）和閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)（b）示意圖

2.虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是基于先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬仿真系統(tǒng)將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，能夠從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品[3]。其中，從外觀上模擬反應(yīng)堆需要解決三維結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)，從功能上模擬反應(yīng)堆需要解決系統(tǒng)瞬態(tài)仿真技術(shù)，此外，還需要將生成的仿真數(shù)據(jù)送入可視化環(huán)境，最終從外觀、功能以及在虛擬環(huán)境中的各種行為上表達(dá)反應(yīng)堆。

法國的AREVA公司與達(dá)索公司合作，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆工程的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和維護(hù)過程，以三維模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)仿真。

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院利用Delmia、UG等軟件完成了反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上建立了虛擬檢修系統(tǒng)[4]。

武漢核動(dòng)力運(yùn)行研究所核電仿真中心開發(fā)了用于工作人員操作培訓(xùn)的虛擬仿真系統(tǒng)，為核電站人員熟悉工作環(huán)境、掌握設(shè)備特性、演習(xí)工作流程提供支撐，是虛擬仿真技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域的一次成功應(yīng)用[5]。

3.關(guān)鍵問題及研究思路

根據(jù)國內(nèi)外在虛擬仿真技術(shù)方面的研究成果，主要是在結(jié)構(gòu)仿真或功能仿真的基礎(chǔ)上開發(fā)專用樣機(jī)模擬特定的行為，并沒有真正地將結(jié)構(gòu)仿真與功能仿真耦合起來，同步處理運(yùn)動(dòng)學(xué)信息和動(dòng)力學(xué)信息，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的整體表達(dá)。

因此，多領(lǐng)域仿真程序的交互和信息的實(shí)時(shí)傳遞是虛擬仿真的關(guān)鍵問題之一，本研究將面向氣冷空間堆安全分析、演示驗(yàn)證、運(yùn)行培訓(xùn)等功能需求，主要解決系統(tǒng)瞬態(tài)仿真技術(shù)和三維結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)，在此基礎(chǔ)上建立交互式數(shù)據(jù)與指令接口，完成運(yùn)行仿真和可視化的一體化綜合解決方案。

二、研究方法

1.氣冷反應(yīng)堆瞬態(tài)仿真程序開發(fā)

為了掌握氣冷反應(yīng)堆的動(dòng)態(tài)特性，建立其系統(tǒng)設(shè)備的動(dòng)力學(xué)模型，主要模型及求解公式如下。

1.1 六組緩發(fā)中子的裂變功率模型

其中，n-裂變功率（W）；ρ（t）-總反應(yīng)性；β-緩發(fā)中子總份額；βi-第i組緩發(fā)中子份額；Λ-中子代時(shí)間（s）；λi-第i組緩發(fā)中子衰變常數(shù)（s-1）；Ci（t）-第i組緩發(fā)中子的裂變功率（W）；S0-初始源（W）；ρinsert（t）-控制棒引入的反應(yīng)性；ρfeedback（t）-反應(yīng)性反饋。

1.2 四組裂變產(chǎn)物的衰變功率模型

1.3 功率分布模型

其中，QV，JK-燃料控制體體積釋熱率（W/m3）；ΦJK-燃料控制體功率份額；VJK-燃料控制體體積（m3）。

1.4 反應(yīng)性反饋模型

其中，α-反饋系數(shù)；下標(biāo)fuel表示燃料，下標(biāo)lattice表示格架，下標(biāo)BeO表示反射層，下標(biāo)Init表示初始。

1.5 燃料和冷卻劑溫度求解模型

其中，Tf-燃料溫度（K）；κf-燃料的比熱容倒數(shù)（K/J）；γf-燃料向冷卻劑傳熱的時(shí)間常數(shù)倒數(shù)（1/s）；κcav-冷卻劑的比熱容倒數(shù)（K/J）；Tcav-冷卻劑平均溫度（K）；T3、T4-堆芯冷卻劑進(jìn)出口溫度（K）；Af-燃料與冷卻劑的換熱面積（m2）；Cp-冷卻劑比熱容（J/kgK）；mdot-冷卻劑質(zhì)量流量（kg/s）。

1.6 回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)材料溫度求解模型

其中，Trcp-回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)材料溫度（K）；hrcp-回?zé)崞鱾鳠嵯禂?shù)（W/m2K）；Arcp-回?zé)崞鲹Q熱面積（m2）；Cprcp-回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)材料比熱（J/kgK）；T2、T3-回?zé)崞鳠醾?cè)進(jìn)出口溫度（K）；T23是回?zé)崞鳠醾?cè)進(jìn)出口平均溫度（K）；T5、T6-回?zé)崞骼錅y(cè)進(jìn)出口溫度（K）。

1.7 輸出電功率求解模型

其中，PX-旋轉(zhuǎn)軸的額外功率（W）；Pturb-渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率（W）；Pcomp-壓縮機(jī)消耗的功率（W）；Pload-負(fù)載功率（W）；Nrpm-旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速（1/s）；Itac-旋轉(zhuǎn)惰性（kgm2）；Vhp、Vlp-高低壓缸體積（L）；R0-氦氙混合氣體常數(shù)（J/kgK）；T1、T2、T6-壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度和氣體冷卻器進(jìn)口溫度（K）。

此外，還建立了管道模型、腔室模型、輻射散熱器模型、管網(wǎng)模型、泵模型等參與回路的計(jì)算，均采用集總參數(shù)模型，求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程?；贔ortran語言，開發(fā)了氣冷反應(yīng)堆瞬態(tài)仿真程序。

2.氣冷反應(yīng)堆三維可視化程序開發(fā)

為了對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)的整體及各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行多角度三維展示，為虛擬仿真系統(tǒng)提供擬高視效的三維環(huán)境，研究三維可視化技術(shù)，建立氣冷反應(yīng)堆的全三維數(shù)字資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)虛擬運(yùn)行等可視化應(yīng)用場景。三維結(jié)構(gòu)模型的建立將直接影響運(yùn)行、操作、控制的效果和培訓(xùn)的逼真度。

本研究中，氣冷堆的三維模型展示是通過自研軟件“反應(yīng)堆三維展示與虛擬裝配平臺(tái)”（下簡稱虛擬裝配平臺(tái)）來實(shí)現(xiàn)的。虛擬裝配平臺(tái)采用的是C#語言、結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫和EON三維引擎，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆模型的三維可視化、虛擬裝配設(shè)計(jì)等功能，如圖2所示。

圖2 反應(yīng)堆三維展示與虛擬裝配平臺(tái)

3.交互式接口程序開發(fā)

為了將仿真過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)施設(shè)備的操作記錄、維護(hù)數(shù)據(jù)等在三維場景中進(jìn)行疊加顯示與交互，需要開發(fā)交互式程序接口，實(shí)現(xiàn)3KeyMaster仿真平臺(tái)與氣冷堆安全分析程序的連接，以及3KeyMaster平臺(tái)與氣冷堆三維模型展示平臺(tái)的連接。

根據(jù)仿真需求，選用基于共享內(nèi)存[6]的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖3所示。將瞬態(tài)仿真程序編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，簡稱DLL）的形式，重新編寫一個(gè)C++程序調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫，并且同時(shí)調(diào)用api函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與task的C++程序的連接；虛擬裝配平臺(tái)通過C#語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，C#語言調(diào)用windows API，可以通過DllImport屬性，將windows系統(tǒng)DLL文件中的API函數(shù)導(dǎo)入到C#工程中，供C#工程直接調(diào)用。

圖3 接口設(shè)計(jì)方案示意圖

4.時(shí)間步長的控制

時(shí)間步長的控制采用windows事件的方式進(jìn)行調(diào)控，windows事件即相當(dāng)于一個(gè)windows系統(tǒng)級(jí)別的全局變量，用于不同進(jìn)程之間的信息傳遞。windows事件實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)行功能及時(shí)間步長控制的原理如圖4所示，將全部數(shù)據(jù)根據(jù)其內(nèi)存地址映射到共享內(nèi)存區(qū)，并根據(jù)進(jìn)程、按規(guī)定的頻率建立中斷機(jī)制，使每一幀具有精確的周期[7]，最終實(shí)現(xiàn)3KeyMaster與氣冷反應(yīng)堆瞬態(tài)仿真程序、虛擬裝配程序的同步運(yùn)行。

圖4 事件功能原理圖

三、氣冷反應(yīng)堆虛擬仿真系統(tǒng)

氣冷反應(yīng)堆虛擬運(yùn)行仿真系統(tǒng)具備運(yùn)行流程三維演示、虛擬操作、工況模擬等功能。

1.系統(tǒng)開發(fā)

采用先進(jìn)仿真開發(fā)平臺(tái)3KeyMaster、商用工業(yè)三維引擎EON、多專業(yè)自研理論模型結(jié)合相應(yīng)軟件與數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺(tái)共同構(gòu)成開發(fā)環(huán)境[8]，如圖5所示，利用自主開發(fā)的瞬態(tài)仿真模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)和虛擬對(duì)象，完成它們?cè)诘谌街纹脚_(tái)上的疊加顯示。用戶進(jìn)行虛擬運(yùn)行仿真時(shí)，只需要在第三方支撐平臺(tái)上打開兩套模型，引入用戶所需的操作，則虛擬對(duì)象和仿真數(shù)據(jù)同步發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖5 虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

圖6是氣冷反應(yīng)堆虛擬仿真系統(tǒng)工作界面，包括二維圖形仿真界面、關(guān)鍵參數(shù)趨勢(shì)圖界面、三維動(dòng)態(tài)操作界面。

2.氣冷反應(yīng)堆工況仿真

2.1 反應(yīng)性瞬變

額定工況下引入+68pcm的外加反應(yīng)性，核功率和堆芯最高溫度的響應(yīng)如圖7、圖8所示。隨著功率升高，堆芯燃料溫度逐漸上升，隨后由于燃料和冷卻劑溫度負(fù)反饋使功率升高減慢。

圖8 引入正反應(yīng)性后堆芯溫度的響應(yīng)

2.2 單個(gè)布雷頓機(jī)械故障

額定工況下引入某環(huán)路布雷頓機(jī)械失流，核功率和堆芯最高溫度的響應(yīng)如圖9、圖10所示。隨著冷卻劑流量逐漸減少，堆芯燃料溫度逐漸上升，隨后由于燃料和冷卻劑溫度負(fù)反饋使功率降低，隨后堆芯溫度升高速度減慢。

圖9 單個(gè)布雷頓機(jī)械故障后核功率的響應(yīng)

圖10 單個(gè)布雷頓機(jī)械故障后堆芯溫度的響應(yīng)

結(jié)語

本文面向氣冷反應(yīng)堆開展虛擬運(yùn)行仿真技術(shù)研究，首先開發(fā)了反應(yīng)堆和閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，以及三維可視化結(jié)構(gòu)模型；然后通過交互式接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)模型基于統(tǒng)一平臺(tái)的同步運(yùn)行和疊加顯示；最終建立了氣冷反應(yīng)堆虛擬仿真系統(tǒng)，并開展了仿真實(shí)驗(yàn)。為支持氣冷反應(yīng)堆的動(dòng)態(tài)特性分析、儀控驗(yàn)證、虛擬裝配與運(yùn)行提供了一種參考途徑。